渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展

寂靜天花板

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)歷了機(jī)械液壓式,、模擬電子式,、數(shù)字電子式,、全權(quán)限數(shù)字式發(fā)動(dòng)機(jī)控制（FADEC）4代產(chǎn)品的發(fā)展歷程,，它的發(fā)展還與電子技術(shù),、控制技術(shù),、健康管理技術(shù)的進(jìn)步緊密相關(guān)。成熟的飛/發(fā)一體化控制及健康管理技術(shù)將是未來渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向,。

世界上第一臺(tái)航空渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)是透博梅卡公司研制的阿都斯特-l發(fā)動(dòng)機(jī),，該發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是機(jī)械液壓式燃油調(diào)節(jié)器。渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的發(fā)展是相輔相成的：一方面,，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展對控制系統(tǒng)不斷提出新的要求,，促使其技術(shù)不斷進(jìn)步，功能更加完善,；另一方面,，控制系統(tǒng)的發(fā)展、關(guān)鍵技術(shù)的突破也能挖掘渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的潛力,，促進(jìn)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展,。
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渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)包括燃油和控制兩大部分。燃油部分有增壓泵,、油濾,、高壓泵、分配器等,；控制部分有燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速控制器,、動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速恒速器、雙/多發(fā)扭矩匹配器,、渦輪前溫度限制器,、扭矩限制器、動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速超轉(zhuǎn)保護(hù)裝置,、壓氣機(jī)導(dǎo)葉調(diào)節(jié)裝置等,。對第一、二代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)而言,，控制系統(tǒng)大部分是各自獨(dú)立的,。對于第三、四代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的大部分組成及功能則進(jìn)一步集成化,，逐漸發(fā)展成電子控制單元（ECU）和液壓機(jī)械單元（HMU）兩大塊,，但有一些關(guān)鍵的部分（如動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速超轉(zhuǎn)保護(hù)裝置）仍然是相對獨(dú)立的。

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)如下的基本功能：發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制,、發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)控制,、發(fā)動(dòng)機(jī)加減速控制、動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速恒速控制,、動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速超轉(zhuǎn)保護(hù),、燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速限制、燃?xì)鉁u輪出口溫度限制,、起動(dòng)過程超溫保護(hù),、壓氣機(jī)導(dǎo)向葉片角度控制、動(dòng)力渦輪輸出軸扭矩限制,、雙/多發(fā)扭矩匹配控制,、單發(fā)應(yīng)急功能控制、放氣（活門）控制,、燃油系統(tǒng)排氣功能,、防冰功能。數(shù)字式電子控制系統(tǒng)還要實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷與處理,、信息存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)通信以及地面檢測功能,。

動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速恒速控制是渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的主要功能，也是渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)典型的控制方式,。不管哪種形式的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng),，動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速恒速原理基本相同。當(dāng)然,，在實(shí)際控制中,，燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速、渦輪前溫度,、總距桿位置,、扭矩、大氣環(huán)境條件等參數(shù)主要對動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行限制,、修正和設(shè)定狀態(tài),。

控制系統(tǒng)發(fā)展概述

半個(gè)世紀(jì)以來，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)已成功地發(fā)展了4代產(chǎn)品,。第一代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在20世紀(jì)50年代至60年代中期研制,，以T58-GE-10和阿都斯特II等發(fā)動(dòng)機(jī)為典型代表，控制系統(tǒng)采用機(jī)械液壓燃油與控制系統(tǒng),。第二代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在20世紀(jì)60年代中期至70年代中期研制,，以阿斯泰祖和T64-GE-6等發(fā)動(dòng)機(jī)為典型代表，控制系統(tǒng)采用模擬電子式,。第三代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在20世紀(jì)70年代末至80年代中期研制,，以T700-701C和馬基拉等發(fā)動(dòng)機(jī)為典型代表，由于集成電路技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用,，使得控制系統(tǒng)大多采用了數(shù)字電子式,，并開始了FADEC系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理初步功能（狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷等）的研究與應(yīng)用,。第四代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在20世紀(jì)80年代中后期開始研制,，到90年代投入使用,，以T800和MTR390等發(fā)動(dòng)機(jī)為典型代表，得益于大規(guī)模集成電路和數(shù)控技術(shù)的日益成熟,，控制系統(tǒng)廣泛采用FADEC系統(tǒng),，具備相對成熟的健康管理系統(tǒng)。進(jìn)入21世紀(jì)后,，超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)以及高性能處理器的發(fā)展,，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)建模仿真技術(shù)、健康管理技術(shù)和飛/發(fā)一體化控制技術(shù)的完善,，使得渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)FADEC系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)一步成熟,。

機(jī)械液壓式

加拿大普惠公司的PT6-T6發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是典型的機(jī)械液壓燃油與控制系統(tǒng)。PT6-T6控制系統(tǒng)由燃油調(diào)節(jié)器,、燃油分配器,、扭矩限制器、動(dòng)力渦輪恒速器,、雙發(fā)扭矩匹配器組成,。其中燃油調(diào)節(jié)器集成了油濾、燃油泵,、轉(zhuǎn)速敏感元件,、彈簧連桿機(jī)構(gòu)、膜盒組件,、計(jì)量油針,、壓差活門、分壓器,、調(diào)節(jié)活門,、加速活門和壓力波動(dòng)吸收器等。燃油調(diào)節(jié)器能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)及動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速控制,。扭矩限制器實(shí)現(xiàn)最大扭矩限制,，動(dòng)力渦輪恒速器實(shí)現(xiàn)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速恒速、雙發(fā)扭矩匹配器實(shí)現(xiàn)雙發(fā)扭矩匹配,。PT6-T6發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)導(dǎo)葉不可調(diào),。

模擬電子式

GE公司的T700-701A發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)是典型的模擬電子式控制系統(tǒng)。T700-701A控制系統(tǒng)主要由液壓機(jī)械裝置（HMU）和模擬式電子控制器（ECU）兩部分組成,。HMU安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)前附件機(jī)匣上,，主要由帶計(jì)量裝置的泵油系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)及自動(dòng)加速控制系統(tǒng),、VG伺服系統(tǒng)組成,。HMU由發(fā)動(dòng)機(jī)前部附件機(jī)匣傳動(dòng)，根據(jù)燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速,、離心壓氣機(jī)出口壓力,、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度的變化,、ECU的配平電信號、可用功率軸（PAS）和負(fù)載要求軸（LDS）的角度計(jì)量供給發(fā)動(dòng)機(jī)所需的燃油,。壓氣機(jī)的導(dǎo)葉控制也是由HMU單獨(dú)完成,。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，一旦電子控制器出現(xiàn)故障,，作為備份的HMU進(jìn)入工作狀態(tài),，實(shí)現(xiàn)一些應(yīng)急功能,，保證飛機(jī)的安全,。

HMU的功能有燃油泵送油、燃油流量計(jì)量,、通過LDS的角度輸入進(jìn)行總距補(bǔ)償,、加速和減速過程的流量限制、動(dòng)力渦輪極限轉(zhuǎn)速限制,、壓氣機(jī)導(dǎo)向葉片角度控制,、起動(dòng)放氣與防冰活門控制、PAS超行程時(shí)燃油系統(tǒng)放氣,；ECU通過控制力矩馬達(dá)調(diào)準(zhǔn)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速給定值,；ECU故障或不工作時(shí)，PAS超控ECU,。

ECU的功能是通過輸出電信號來控制HMU中的力矩馬達(dá),，在發(fā)動(dòng)機(jī)允許的動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速、動(dòng)力渦輪進(jìn)口溫度極限范圍內(nèi)對HMU進(jìn)行調(diào)節(jié),，以便保持動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速恒定,、雙發(fā)扭矩平衡，另外ECU還具備動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速超轉(zhuǎn)保護(hù),、起動(dòng)超溫保護(hù),，向歷史記錄儀和駕駛艙提供所需信號等功能。

數(shù)字電子式

T700-701C發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)是數(shù)字電子式控制系統(tǒng)的典型代表,，T700-701C發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)是在T700-701A控制系統(tǒng)發(fā)展來的,，其組成功能類似，也是由電子控制器和HMU兩部分組成,，但電子控制器已由模擬電子式發(fā)展成數(shù)字電子式（DECU）,。

T700-701C控制系統(tǒng)除實(shí)現(xiàn)T700-701A控制功能外，還具備初步的健康管理系統(tǒng)功能,。傳感器,、DECU、歷史記錄儀,、地面檢測裝置及指示報(bào)警裝置等構(gòu)成一個(gè)健康管理系統(tǒng)的雛形,，能進(jìn)行基本的狀態(tài)監(jiān)視,，完成一些重要的故障診斷。DECU實(shí)現(xiàn)的初步健康管理功能有BIT測試,、DECU各模塊的測試,、傳感器的檢測、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的檢測,，將歷史數(shù)據(jù)及狀態(tài)記錄在非易失存儲(chǔ)器中,，通過串口通信進(jìn)行實(shí)時(shí)或歷史數(shù)據(jù)及狀態(tài)的傳輸實(shí)現(xiàn)各種信號的監(jiān)視，駕駛艙儀表指示（扭矩,、溫度及故障信息等）,。
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歷史記錄儀包含4個(gè)計(jì)數(shù)器，DECU根據(jù)采集參數(shù)進(jìn)行計(jì)算判斷,，驅(qū)動(dòng)歷史記錄儀記錄LCF1（1號低循環(huán)疲勞）,、 LCF2（2號低循環(huán)疲勞）、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間及發(fā)動(dòng)機(jī)溫度時(shí)間指數(shù)等4個(gè)歷史參數(shù),。這4個(gè)參數(shù)直接反映發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命及運(yùn)行情況,。T700-701C發(fā)動(dòng)機(jī)還包括一些指示報(bào)警裝置，如燃油,、滑油濾堵塞指示報(bào)警等,。

FADEC

FADEC系統(tǒng)也是由電子控制器和液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)FADEC系統(tǒng)典型特點(diǎn)是余度設(shè)計(jì),。電子控制器由雙余度的數(shù)字電子控制通道組成,，傳感器采用雙余度或多余度，液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)也采用余度結(jié)構(gòu),。電子控制器每個(gè)數(shù)控通道進(jìn)行信號采集,、數(shù)據(jù)處理、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)載模型計(jì)算及故障診斷等,，能獨(dú)立地控制液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu),，當(dāng)一個(gè)數(shù)控通道出現(xiàn)故障時(shí)，能自動(dòng)切換到另一個(gè)通道,。通道間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,，在必要情況下還能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)。FADEC提高了系統(tǒng)的可靠性,，可以判斷出更加合理的故障模式及作出相應(yīng)的對策,。采用FADEC系統(tǒng)的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)有GE公司的T800發(fā)動(dòng)機(jī)和中法合作研制的WZ16發(fā)動(dòng)機(jī)等。

發(fā)展趨勢

根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)役和在研渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)分析,，預(yù)計(jì)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)未來將向具有成熟的飛/發(fā)一體化控制及健康管理技術(shù)的FADEC系統(tǒng)發(fā)展,。

隨著渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的高速發(fā)展，控制系統(tǒng)的功能要求日趨強(qiáng)大，需要采集的信號及處理的數(shù)據(jù)越來越多,，F(xiàn)ADEC系統(tǒng)電子控制器采用傳統(tǒng)處理器（如英特爾的80386,、摩托羅拉的MC68332）無論從通道數(shù)，還是速度,、容量上都已不能滿足要求,，采用高性能處理器PowerPC（MPC555或MPC556)是渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)FADEC系統(tǒng)發(fā)展趨勢。目前對基于PowerPC（MPC555或MPC556）的電子控制器的研究與應(yīng)用正在進(jìn)行中,，如GE公司的701D發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)已成功采用MPC555,。

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展也會(huì)促進(jìn)高精度、小型化,、集成化的傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的應(yīng)用研究,，會(huì)對建模仿真技術(shù)、飛/發(fā)一體化控制技術(shù)提出了新的要求,。渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)采用飛/發(fā)一體化技術(shù)能夠最大限度地挖掘渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的潛力,，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)與飛機(jī)的性能,。20世紀(jì)末,，美國已在裝有T64-GE-415、250-C30兩型發(fā)動(dòng)機(jī)的CH-53E,、S-76直升機(jī)進(jìn)行了飛/發(fā)一體化控制設(shè)計(jì)及研究,。歐洲的RTM322發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)也采用直升機(jī)飛/發(fā)一體化控制技術(shù)。飛/發(fā)一體化控制技術(shù)是渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展的方向之一,。

為了使航空發(fā)動(dòng)機(jī)安全高效地運(yùn)行,，節(jié)省維修成本，就必須了解發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況,，掌握其變化規(guī)律,，對關(guān)鍵部件實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷是保障飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)安全可靠運(yùn)行的必要條件,。傳統(tǒng)的定期維修方式不但耗費(fèi)資源,，而且效率低下，費(fèi)用也居高不下,�,；�于狀態(tài)的維修（CBM）——視情維修，具有規(guī)模小,、效率高,、經(jīng)濟(jì)性好以及可避免重大災(zāi)難性事故等顯著優(yōu)勢，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)必然發(fā)展的先進(jìn)維修思想和維修方式,。

視情維修要求航空發(fā)動(dòng)機(jī)具有對自身故障的預(yù)測能力,，并具有對健康狀態(tài)進(jìn)行管理的能力。健康管理系統(tǒng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)視情維修的前提。進(jìn)入21世紀(jì)后,，超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn),，高性能處理器及大容量存貯器件的成熟應(yīng)用，航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力更強(qiáng),，信息容量更大,，同時(shí)微弱信號識別、故障模式及診斷,、壽命預(yù)測及管理等技術(shù)的進(jìn)步完善,，使得健康管理技術(shù)日臻成熟。作為發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)不可缺少的組成部分,，健康管理系統(tǒng)的發(fā)展方向是對獲取到的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合分析,，評估發(fā)動(dòng)機(jī)的健康狀態(tài)并提出維修建議，最終實(shí)現(xiàn)對發(fā)動(dòng)機(jī)的視情維修,。
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倒影年華

學(xué)習(xí)了

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